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ZKsync Airbender zkVM

· 10 Min. Lesezeit
Dora Noda
Dora Noda
Software Engineer

Was wäre, wenn das Beweisen eines Ethereum-Blocks nur 35 Sekunden dauern würde, anstatt ein ganzes Lagerhaus voller GPUs zu benötigen? Das ist kein hypothetisches Szenario – es ist das, was Airbender von ZKsync heute liefert.

Im Rennen darum, Zero-Knowledge-Proofs für die Mainstream-Blockchain-Infrastruktur praktikabel zu machen, ist ein neuer Maßstab gesetzt worden. Airbender, die Open-Source RISC-V zkVM von ZKsync, erreicht 21,8 Millionen Zyklen pro Sekunde auf einer einzigen H100-GPU – mehr als 6 x schneller als konkurrierende Systeme. Es kann Ethereum-Blöcke in weniger als 35 Sekunden beweisen und nutzt dabei Hardware, die nur einen Bruchteil dessen kostet, was Wettbewerber benötigen.

Das Problem der Beweiserstellung​

Zero-Knowledge-Proofs versprechen seit langem eine kryptografische Revolution: die Fähigkeit, Berechnungen zu verifizieren, ohne die zugrunde liegenden Daten offenzulegen. Für Blockchains bedeutet dies, Tausende von Transaktionen in einem einzigen Beweis zu komprimieren, den jeder Node kostengünstig verifizieren kann. Die Technologie ermöglicht eine Skalierung, ohne die Sicherheit zu opfern.

Der Haken war schon immer der Rechenaufwand. Die Erstellung von ZK-Proofs ist teuer – sowohl zeitlich als auch hardwaretechnisch. Bis vor kurzem erforderte das Beweisen eines einzigen Ethereum-Blocks zwischen 50 und 160 parallel arbeitende GPUs, wobei die Zeiten für die Beweiserstellung eher in Minuten als in Sekunden gemessen wurden. Bei diesen Kosten blieb die ZK-Technologie auf spezialisierte Layer 2 Rollups beschränkt, anstatt zu einer allgegenwärtigen Infrastruktur zu werden.

Die Wettbewerbslandschaft der zkVMs hat sich rasant intensiviert. SP1 von Succinct, RISC Zero, Jolt von a16z und nun Airbender kämpfen darum, das zu erreichen, was die Ethereum Foundation als „Real-Time Proving“ bezeichnet – die Erstellung von Beweisen, die schnell genug sind, um mit der Blockproduktion selbst Schritt zu halten. Laut Justin Drake, Forscher bei der Ethereum Foundation, ist „Real-Time Proving ein massiver Befreiungsschlag für Ethereum“, da es „uns ermöglicht, Layer 1 mithilfe von ZK-Validatoren und ZK-Execution-Clients zu skalieren“.

Die technische Architektur von Airbender​

Airbender implementiert den RISC-V 32I+M Befehlssatz – denselben offenen Standard, der im zkVM-Design dominant wird. Die Architektur arbeitet in einer Standard-Fetch-Decode-Execute-Schleife und verarbeitet Bytecode, der über ROM in Blöcken von etwa 4 Millionen Zyklen geladen wird. Die Performance des Provers skaliert horizontal, indem diese Blöcke über Speicherargumente miteinander „verknüpft“ werden.

Das System unterstützt drei Konfigurationen für die Beweiserstellung:

  • Nur CPU: Ausreichend für Entwicklung und Tests
  • Einzelne GPU: Produktionsbereit für die meisten Anwendungsfälle
  • Multi-GPU: Maximaler Durchsatz für Anwendungen mit hohem Volumen

Bei GPU-Konfigurationen übernimmt die CPU die RISC-V-Simulation und das Tracing, während die GPU die Witness-Generierung und die anschließenden Beweisschritte berechnet. Diese Arbeitsteilung optimiert die Recheneigenschaften des jeweiligen Prozessortyps.

Zu den wichtigsten technischen Differenzierungsmerkmalen gehören:

Mersenne31-Feldarithmetik: Airbender verwendet schnelle arithmetische Operationen, die speziell für die STARK-Performance optimiert sind, was zu seinem Geschwindigkeitsvorteil beiträgt.

STARK-basierte Beweise: Im Gegensatz zu SNARK-basierten Systemen bietet die STARK-Grundlage von Airbender Quantenresistenz ohne zusätzlichen kryptografischen Overhead. Das modulare Design ermöglicht Upgrades, wenn neue kryptografische Standards entstehen.

Lineare GPU-Skalierung: Auf einer einzigen RTX 4090 beweist Airbender 9,7 Millionen Zyklen pro Sekunde. Die Leistung skaliert linear über mehrere GPUs hinweg, was es Betreibern ermöglicht, Hardware nach Bedarf gegen Geschwindigkeit einzutauschen.

Benchmark-Showdown: Airbender gegen die Konkurrenz​

In der zkVM-Landschaft gibt es drei Hauptkonkurrenten: SP1 von Succinct, RISC Zero und Jolt von a16z. Jeder verfolgt einen anderen Ansatz für das Beweisproblem, und reale Benchmarks offenbaren deutliche Unterschiede.

Single-GPU-Performance (H100)​

SystemZyklen / SekundeRelative Geschwindigkeit
Airbender21,8 MHz1 x (Referenz)
SP1 Turbo3,45 MHz6,3 x langsamer
RISC Zero1,1 MHz19,8 x langsamer

Ethereum-Block-Beweisverfahren​

Für den kritischen Anwendungsfall der Ethereum-Block-Verifizierung:

  • Airbender: ~ 35 Sekunden auf einer einzigen H100-GPU; 17 Sekunden ohne Rekursion
  • SP1 Hypercube: ~ 12 Sekunden, erfordert jedoch 50 – 160 GPUs (ungefähr äquivalent zu H100s)
  • Brevis Pico: Durchschnittlich 6,9 Sekunden unter Verwendung von 64 RTX 5090 GPUs

Die Hardware-Anforderungen erzählen die eigentliche Geschichte. Airbender erreicht eine vergleichbare Leistung wie Multi-GPU-Setups mit einer einzigen handelsüblichen GPU. Bei aktuellen Cloud-Preisen entspricht dies Beweiskosten von etwa 0,0001 $ pro Transfer – mehr als 10 x günstiger als der vorherige Boojum-Prover von ZKsync.

End-to-End-Performance​

Bei der Messung der vollständigen Beweiserstellung einschließlich Rekursion:

  • Airbender ist 2,5 – 4 x schneller als SP1 Turbo
  • Airbender ist 8,5 – 11 x schneller als RISC Zero

Nach Daten von Ethproofs erreicht Airbender mit einer einzigen RTX 4090 eine durchschnittliche Verifizierungszeit von 51 Sekunden bei Kosten von weniger als einem Cent – beide Metriken stellen die besten Ergebnisse unter den zkVMs dar.

Die Wettbewerbslandschaft der zkVMs​

Das Rennen um den Bau der schnellsten zkVM ist nicht rein akademisch. Diese Systeme bilden das Rückgrat der nächsten Generation der Blockchain-Infrastruktur: Cross-Chain-Bridges, Rollups und schließlich der Ethereum-Base-Layer selbst.

SP1 (Succinct)​

Die Stärke von SP1 liegt in der GPU-Beschleunigung und den kryptografischen Precompiles, die für Blockchain-Workloads optimiert sind. Der Ende 2025 angekündigte SP1 Hypercube demonstrierte Echtzeit-Ethereum-Proving in unter 12 Sekunden – erforderte jedoch eine massive Parallelisierung. SP1 glänzt bei spezifischen kryptografischen Operationen und verfügt über erstklassige Entwickler-Tools, benötigt jedoch GPUs mit mehr als 24 GB VRAM für Produktions-Workloads.

RISC Zero​

RISC Zero leistete Pionierarbeit in der produktionsbereiten zkVM-Kategorie und bleibt höchst wettbewerbsfähig. Das System behauptet, bei Cloud-Deployments mindestens 7-mal kostengünstiger als SP1 zu sein und bis zu 60-mal günstiger bei kleinen Workloads. Die zkVM 1.0 von RISC Zero unterstützt die dApp-Interoperabilität über Ethereum, Base, Optimism, Arbitrum, World Chain und Starknet hinweg.

Jolt (a16z)​

Jolt repräsentiert einen neuartigen Ansatz für das zkVM-Design, wobei frühe Benchmarks 6-fache Verbesserungen gegenüber RISC Zero und 2-fache gegenüber SP1 zeigen. Jolt befindet sich jedoch noch in der Beta-Phase (v0.1) und steht vor Herausforderungen bei der Bereitstellung in Produktionsumgebungen.

Wo Airbender einzuordnen ist​

Der Open-Source-Ansatz von Airbender unter der MIT-Lizenz unterscheidet ihn von seinen Mitbewerbern. Unternehmen können den Prover selbst oder bei jedem Hosting-Anbieter betreiben – es gibt keinen Anbieter-Lock-in. Die STARK-basierte Architektur bietet Quantenresistenz ohne die Trusted-Setup-Anforderungen von SNARK-Systemen.

Eine unabhängige Analyse von Fenbushi Capital charakterisierte den zkVM-Markt anhand von drei strategischen Ausrichtungen:

  • Leistungsorientiert: Brevis Pico, SP1, Jolt und Zisk konzentrieren sich auf niedrige Latenz und Echtzeit-Beweise
  • Modularität und Skalierbarkeit: OpenVM, Pico und SP1 betonen die Plug-and-Play-Fähigkeit
  • Ökosystem und allgemeine Entwicklung: RISC Zero, SP1 und ZiSK konzentrieren sich auf SDK- und Sprachenkompatibilität

Airbender konkurriert primär über die reine Performance bei gleichzeitiger Wahrung der Open-Source-Zugänglichkeit.

Produktions-Deployment: Bereits live​

Im Gegensatz zu vielen zkVM-Ankündigungen ist Airbender keine Vaporware. Das System ist im Mainnet live und betreibt Chains, die das ZKsync Atlas Upgrade nutzen. Alle neuen ZKsync-Chains werden Airbender als ihr Beweissystem verwenden und den Boojum-Prover ersetzen.

Aktuelle und kommende Deployments umfassen:

  • Abstract: Konsumentenorientierte Chain, basierend auf dem ZK Stack
  • Sophon: Gaming- und Unterhaltungs-Chain
  • GRVT: Hybride Derivatebörse
  • Lens: Dezentrales soziales Protokoll
  • Memento: NFT- und Medien-Chain

Für Entwickler sind die Hardwareanforderungen zugänglich:

  • Entwicklung: Laptop-CPU ist ausreichend
  • Produktion: Jede GPU mit 22 GB RAM (RTX 4090, RTX 5090, L4 oder H100)

Der Code ist auf GitHub unter matter-labs/zksync-airbender verfügbar und enthält RISC-V-Schaltkreise, einen Simulator sowie Hilfsprogramme für die Witness-Generierung, Beweiserstellung und Verifizierung.

Roadmap 2026: Von „Am schnellsten“ zu „Universell“​

Die Roadmap 2026 von ZKsync positioniert Airbender als mehr als nur einen Performance-Führer – es soll ein „universeller Standard“ für Zero-Knowledge-Proving werden. Zu den wichtigsten Initiativen gehören:

Tiefgreifendes Auditing und formale Verifizierung: Sicherheit auf Produktionsniveau für institutionelle Deployments erfordert eine strenge Verifizierung über Performance-Benchmarks hinaus.

Verbesserung der Entwicklererfahrung (Developer Experience): Den Zugang zu Airbender für Entwickler zu erleichtern, die keine Kryptografie-Experten sind, erweitert die potenzielle Nutzerbasis erheblich.

Ökosystemübergreifende Expansion: Die Ambitionen von Airbender erstrecken sich über ZKsync und Ethereum hinaus, um die Infrastruktur für jede Blockchain zu werden, die ZK-Verifizierung erfordert.

Der breitere Marktkontext unterstützt diese Ambition. Der globale Markt für Zero-Knowledge-Proofs soll bis 2033 voraussichtlich 7,59 Milliarden erreichen,beieinerja¨hrlichenWachstumsrate(CAGR)von22,1erreichen, bei einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 22,1 %. Heute befinden sich über 28 Milliarden an Total Value Locked in ZK-basierten Rollups.

Warum dies über Benchmarks hinaus wichtig ist​

Die wahre Bedeutung von Airbender liegt darin, was schnelles und günstiges Proving ermöglicht:

Native Rollups: Anstatt sich für die Sicherheit auf Multisigs oder Governance zu verlassen, können ZK-Rollups eine „native“ Sicherheit durch kryptografische Verifizierung erreichen. Dies eliminiert Vertrauensannahmen, die viele Rollups derzeit faktisch zentralisiert machen.

ZK-Validatoren und Execution Clients: Echtzeit-Proving ermöglicht es der Ethereum-Basisschicht selbst, die ZK-Verifizierung zu nutzen, was potenziell den Durchsatz erhöht, ohne die Dezentralisierung zu gefährden.

Cross-Chain-Sicherheit: zkVMs ermöglichen verifizierbare Berechnungen über Chains hinweg. Ein in einem Netzwerk erzeugter Beweis kann in einem anderen verifiziert werden, was die Grundlage für vertrauensloses Bridging schafft, ohne die Oracle-Schwachstellen, die Cross-Chain-Protokolle geplagt haben.

KI-Verifizierung: Da KI-Systeme zunehmend folgenschwere Entscheidungen treffen, können ZK-Proofs KI-Berechnungen verifizieren, ohne die proprietären Modellgewichte offenzulegen. Die Performance von Airbender macht eine solche Verifizierung für reale Anwendungen praktikabel.

Der Übergang von „ZK als Forschungsgegenstand“ zu „ZK als Produktionsinfrastruktur“ findet jetzt statt. Brevis gab kürzlich bekannt, dass seine Pico-zkVM die Echtzeit-Proving-Indikatoren der Ethereum Foundation erfüllt hat (> 96 % der Beweise in unter 10 s, Kosten < 100.000 $). Der SP1 Hypercube von Succinct demonstrierte ähnliche Fähigkeiten. Airbender schließt sich dieser Vorhut an, mit einem Fokus auf Hardware-Effizienz und Open-Source-Zugänglichkeit.

Das Fazit​

Die 6-fache Geschwindigkeit und die 10-fache Kostensenkung von Airbender gegenüber früheren Systemen sind keine bloßen inkrementellen Verbesserungen – sie stellen einen Quantensprung in der wirtschaftlichen Tragfähigkeit dar. Wenn die Beweiskosten auf unter $ 0,0001 pro Transfer sinken, wird die ZK-Verifizierung für Anwendungsfälle praktikabel, die zuvor als zu teuer abgelehnt wurden.

ZKsync arbeitet seit 2018 an der technologischen Speerspitze der ZK-Technologie. Mit Airbender hat das Team eine Infrastruktur geliefert, die Zero-Knowledge-Beweise für den Mainstream-Einsatz praktikabel macht. Ob es seinen Leistungsvorsprung gegenüber den sich schnell entwickelnden Wettbewerbern behaupten kann, bleibt abzuwarten, aber der Maßstab wurde gesetzt.

Das Zeitalter des praktischen, günstigen und schnellen ZK-Provings ist angebrochen.

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Quellen​

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